仿古石橋病害預測分析

聶靜宇,常 明

(成都杜甫草堂博物館，四川成都 610072)

拱橋是橋梁墩臺之間以拱形的構件來做承重結構的，拱形構件在垂直荷載作用下，墩臺上產生垂直反力的同時還會產生水平推力。拱形構件受彎又受壓，且常以受壓為主，因此利用天然石料制造拱橋，物盡其用，十分合理，但石拱橋又存在一些病害和缺陷。國內學者對石拱橋的病害進行了研究，如吳海軍等[1]對山區農村公路石拱橋典型病害及加固措施做了研究，分析了幾種加固方法對石拱橋上部結構病害的適用性；彭焱焱[2]針對古老石橋的病害，從墩臺基礎和上部結構兩方面提出病害處理措施；羅婧文等[3]總結了大跨度石拱橋主要結構性及非結構性病害，并提出結構性病害整治措施。但是大多的研究都是針對病害做出處理，較少的采用分析結構受力特征進行病害預防及整治。因此，本文結合成都杜甫草堂“客至橋”，采用有限元軟件分析其受力情況，并根據受力情況分析其可能發生的病害，提出相應預防及整治措施。

1 石拱橋常見病害

1.1 石拱橋上部結構常見病害

通過研究國內外眾多石拱橋的病害，筆者發現石拱橋上部結構承受的病害主要包括：

(1)主拱圈變形，拱軸線下撓。

(2)拱圈砌石錯位、脫落。

(3)拱石風化，砌縫砂漿脫落。

(4)拱圈開裂。

(5)側墻開裂、外鼓或外移。

1.2 石拱橋下部結構常見病害

石拱橋下部結構承受的病害主要包括：

(1)基礎不均勻沉降。

(2)基礎沖刷嚴重或掏空。

(3)墩臺開裂。

2 石拱橋病害產生的原因

2.1 石拱橋上部結構產生病害的原因

分析石拱橋上部結構承受的病害原因：主拱圈的變形主要由于拱圈砌筑質量不高，石拱橋在自身重量及其他活載下，地基承載力不足而產生水平位移及沉降，從而導致拱軸線的下降；拱圈砌石的錯位主要由于施工不專業，填充砂漿不飽滿，經長時間使用，拱圈砌石出現錯位、松動甚至脫落；拱圈開裂包括主拱圈橫向開裂與主拱圈縱向開裂。主拱圈橫向開裂多發生在拱頂上部以及拱腳上部，嚴重時會開裂至拱壁，發生的原因主要包括石材強度不足，基礎產生位移，拱圈受力不對稱等，主拱圈縱向開裂主要由于施工、拱上側土壓力的作用及結構本身的非常規受力引起；側墻開裂外鼓及外移發生的主要原因包括橋面承受的荷載過大，拱頂填料不足，拱上建筑填料不密實，側墻的砌筑灰料強度太低，施工質量低等。

2.2 石拱橋下部結構產生病害的原因

分析石拱橋下部結構承受的病害原因：基礎不均勻沉降主要是由于地基承載力不足造成的；墩臺開裂包括順橋向、橫橋向的橫向裂縫或者豎向裂縫，引起墩臺開裂的主要原因為荷載過大、橋臺填充不密實、存在設計及施工缺陷等。

3 “客至橋”案例分析

成都杜甫草堂博物館坐落于浣花溪畔，是中國唐代大詩人杜甫流寓成都時的故居，唐末詩人韋莊尋得草堂遺址，重結茅屋，使之得以保存，宋元明清歷代都有修葺擴建。“客至橋”位于杜甫草堂東門外，毗鄰浣花溪公園。“客至橋”為方便行人從浣花溪公園東門圍繞白鷺洲濕地區域觀賞風景而建，“客至橋”實景如圖1所示。

圖1 “客至橋”實景

“客至橋”全長26 m，寬3.5 m，采用五孔厚墩聯拱石橋的形式，中間拱券的直徑為4.1 m，兩側拱券的直徑分別為2.28 m和2.05 m，主材為MU40青石以及M10砌筑砂漿，采用傳統石橋工藝修建而成。“客至橋”拱券采用的是無鉸拱和多鉸拱相結合的形式，即對起拱處第一塊券石采用階梯的形式與橋墩相連，起拱之后的券石仍采用傳統無鉸拱縱聯砌置法的做法，同時在拱券石之間插入150×100×10的鑄鐵塊，增強拱券之間的橫向聯系，做法如圖2所示。由于“客至橋”修建在白鷺洲濕地區域的人工湖中，考慮到避免基礎不均勻沉降，“客至橋”采用筏板基礎作為橋墩基礎，且基礎進入密實卵石層不小于0.2 m。

圖2 “客至橋”拱券石示意

3.1 有限元模型

根據“客至橋”的實際情況，利用有限元軟件ANSYS建立石拱橋三維空間有限元模型，如圖3所示，以順橋向為X向，以橫橋向為Y向，以豎向為Z向。石拱橋采用Solid92四面體實體單元，將砂漿與砌塊作為一個整體來輸入，不考慮砂漿和砌塊之間的粘結滑移，其整體單元的綜合材料參數通過相關砌體規范獲得[4]。基礎底面采用剛性約束。全橋共劃分171 259個單元。荷載考慮為自重、人行荷載及二期恒載。

圖3 “客至橋”有限元模型

3.2 結果分析

從圖4第一主應力云圖中可以看出最大拉應力容易出現在中拱墩底及中拱底面處，究其原因在于中拱墩底處由于中拱段的相互擠推，同時墩底固結，從而造成在靠近中拱側的墩底處出現拉應力。中拱處由于豎向變形，使得中拱底面出現拉應力。從圖5第三主應力云圖中可以看出，最大壓應力容易出現在中拱墩底處。從圖6橫橋向位移云圖中可以看出，橫橋向的位移在中拱墩底附近處相比其他地方最大，但是數值比較小，可忽略不計“客至橋”在考慮的荷載作用下的橫向變形。從圖7豎向位移云圖中可以看出，豎向位移在中拱處最大，其余地方均較小。

圖4 第一主應力云

圖5 第三主應力云

圖6 橫橋向位移云

圖7 豎向位移云

4 病害預測及治理措施

“客至橋”在今后的正常運營使用中，要避免因為荷載過大，出現中拱處相互擠推，從而造成墩底出現裂縫，同時避免墩底固結部位因為固結不牢固，使得墩整體滑移，產生其他病害。中拱處底面由于承受拉應力，有幾率會出現微小裂縫，同時由于水浸入到裂縫中，造成砂漿砌石二次病害。砌石與砂漿本身也會因為風化作用，使得砂漿脫落，降低砌石與砂漿之間連接承載力。由于“客至橋”位處濕地，地基有可能會產生不均勻沉降，因此采用了筏板基礎進入密實卵石層的技術用以盡量減少地基不均勻沉降，但是地基不均勻沉降仍然是必須考慮的一個因素，同樣會造成石拱橋產生裂縫。鑒于此，在“客至橋”的使用過程中，應該做好裂縫觀測，在出現裂縫的地方采用壓漿加固的方式，填充裂縫，保證施工質量，同時避免由于不均勻沉降帶來的二次病害。

5 結論

本文通過采用有限元模型分析病害的方法，對成都杜甫草堂“客至橋”易受損部分進行病害分析，但是在“客至橋”實際施工中，已經采用較多的防護措施，針對易受損部分增加其保護，此外在“客至橋”平時的運營和維護中也要對本文中所涉及到的應力較大處進行重點關注，以確保病害出現的時候能第一時間發現并進行補救。本文采用的分析方法也可為今后石拱橋病害分析做參考。